Наработки по эксплуатации устройств

Индуктивные датчики приближения

При приближении металлического объекта к высокочастотному магнитному полю, которое создается на катушке датчика, в металле протекают индуцированные токи, вызывающие тепловые потери и приводящие к уменьшению или прекращению колебаний. Это изменение состояния регистрируется схемой, определяющей состояние колебаний, которая затем приводит в действие выходную схему.
Когда датчик приближения включен, колебания тока в течение 60мс увеличиваются до определенной частоты, и образуется электрическое поле. При приближении объекта индуцированный ток в нем будет увеличен, а колебания тока уменьшатся. Когда объект будет обнаружен полностью, ток будет близок к нулю. Это очень слабое колебание тока будет усилено и приведет в действие выходную часть.

Ёмкостные датчики приближения

Как показано на приведенном ниже рисунке, при подаче положительного напряжения на пластину, являющейся обкладкой конденсатора, на ней собирается положительный заряд, отрицательный заряд собирается в земле, и между пластиной и землей образуется электрическое поле. При приближении объекта к пластине, заряды в объекте будут перемещаться под действием электростатической индукции. Отрицательный заряд переместится в сторону пластины, а положительный заряд переместится на противоположную сторону. Это состояние называется поляризацией. Объект обнаруживается по силе поляризации, которая увеличивается когда объект перемещается в сторону пластины, и уменьшается когда объект удаляется.

Емкостный датчик приближения действует обратным способом по сравнению с индуктивным датчиком приближения. При включении датчика колебания тока близки к нулю. При приближении объекта к датчику, емкость будет увеличиваться, и будут увеличиваться колебания тока. Увеличение колебаний будет управлять выходным каскадом.

Термины и определения
■ Стандартный объект обнаружения (эталонный)
Это заданный по определенным формам, размерам и материалу объект обнаружения, для каждой модели датчика, по которому определяют эксплуатационные характеристики.

■ Sn - расстояние срабатывания (номинальное)
Это расстояние между активной поверхностью и поверхностью объекта обнаружения, при котором срабатывает датчик при приближении объекта к активной поверхности. Расстояние срабатывания (Sn) для каждой серии датчиков измеряется с помощью стандартного объекта обнаружения.
■ Гистерезис (дифференциальное расстояние)
Гистерезис представляет собой разницу между расстоянием срабатывания, когда датчик срабатывает при приближении объекта обнаружения к активной поверхностности, и расстоянием возврата, когда датчик перестает обнаруживать удаляющийся объект обнаружения. Гистерезис предотвращает ложные срабатывания из-за вибрации чувствительного элемента и т.д.
■ Sа - установочное расстояние (рабочее)
Это расстояние, в пределах которого датчик может стабильно обнаруживать объект обнаружения, даже при наличии дрейфа температуры окружающей среды или колебаний напряжения питания. Обычно это 70% от максимального расстояния срабатывания.

■ Частота срабатывания (отклика)
Количество раз в секунду, при котором срабатывание может выполняться без сбоев при приближении к датчику объекта обнаружения.

■ Относительная диэлектрическая проницаемость
Это соотношение между диэлектрической проницаемостью материала (ε) и диэлектрической проницаемостью вакуума (εo)
εs = ε/εo
Чем больше относительная диэлектрическая проницаемость, тем больше расстояние срабатывания. Каждый материал имеет свое значение относительной диэлектрической проницаемости. Величина относительной диэлектрической проницаемости у твердых тел больше, чем у жидкостей. Ниже приведены относительные диэлектрические проницаемости типичных материалов.


■ Ёмкость
Это величина заряда (Q), который накапливается при приложении напряжения к изолированным проводникам. Чем больше накопленный заряд (Q), тем больше расстояние срабатывания.

Из приведенной выше формулы следует, что ёмкость (C) будет тем больше, чем больше величина заряда (Q). Увеличить емкость можно увеличением площади пластины, использованием материала с большей относительной диэлектрической проницаемостью или уменьшением расстояния между двумя пластинами.

Монтаж

■ Монтаж заподлицо (с экранированием)
Большая часть корпуса датчика приближения окружена металлом, за исключением активной поверхности, чтобы предотвратить влияние металла, приближающегося со стороны. Несмотря на то, что расстояние срабатывания будет меньше, чем при монтаже не заподлицо, активную поверхность датчика можно установить на одном уровне с металлическим корпусом, как показано на приведенном ниже рисунке.
■ Монтаж не заподлицо (без экранирования)
На датчик легко оказывает воздействие металл, приближающийся со стороны, поскольку активная поверхность моделей без экранирования не защищена металлом по сторонам. Расстояние срабатывания будет больше, чем при монтаже заподлицо, но при установке датчика выдерживается расстояние между краями области монтажа в три раза больше, чем диаметр корпуса, как показано на приведенном ниже рисунке.
■ Параллельный монтаж группы датчиков
Когда несколько датчиков приближения установлены близко друг к другу, возникает эффект взаимных помех. Поэтому выдерживается расстояние, которое в два раза больше диаметра корпуса датчика при монтаже заподлицо, и в три раза больше диаметра датчика при монтаже не заподлицо.

■ Встречный монтаж двух датчиков
При установке датчиков приближения друг против друга в работе могут возникать сбои, обусловленные взаимными помехами. Поэтому датчики располагаются на расстоянии, которое в шесть раз больше расстояния срабатывания.

■ Плотный монтаж группы датчиков
Если требуется устанавливать датчики рядом с друг другом, на расстояние меньшее чем рекомендуемое, то используются модели с разными рабочими частотами.

Условия влияющие на изменение расстояния срабатывания индуктивного датчика

■ Изменение в зависимости от материала и размера объекта
Материал стандартного объекта обнаружения - железо (магнитный металл). Если материал предполагаемого объекта обнаружения другой, особенно немагнитный металл, расстояние срабатывание сокращается (на примере таблицы). Если предполагаемый объект обнаружения меньше в размерах чем указанный эталонный образец, расстояние срабатывание сокращается (на примере графика).

Материал	Sn
железо	100%
нерж. сталь	65%
латунь	40%
алюминий	30%
медь	28%

■ Изменение в зависимости от толщины объекта
Толщина стандартного объекта обнаружения составляет 1 мм. Если толщина превышает 1 мм, расстояние срабатывания не изменяется. Если материал чувствительного объекта - немагнитный металл (алюминий, медь и т.д.), и толщина составляет около 0.01 мм, расстояние до объекта такое же, как и до магнитного металла. Если объект, который имеет тонкую изоляционную пленку или не имеет электропроводности, он не может быть обнаружен.

■ Изменение в зависимости от материала покрытия объекта
Если поверхность объекта обнаружения покрыта дополнительным металлическим слоем, расстояние обнаружения может меняется. Приведен пример на указанной ниже таблице, где контрольное значение - это процентное соотношение к расстоянию срабатывания на объект без покрытия.

дополнительный слой	покрываемый металл
	железо	латунь
без покрытия	100	100
Zn (цинк) - 5…15 мкм	90…120	95…105
Cd (кадмий) - 5…15 мкм	100…110	95…100
Ag (серебро) - 5…15 мкм	60…90	85…100
Cu (медь) - 10…20 мкм	70…95	95…105
Cu - 5…15 мкм	-	95…105
Cu - 5…10 мкм + Ni (никель) - 5…10 мкм	70…95	-
Zn - 5…15 + Ni - 10 мкм + Cr (хром) - 0.2 мкм	70…95	-

Типовое подключение датчиков

Подача напряжения питания на датчик без подключения нагрузки может повредить датчик. Перед подачей питания подключается нагрузка, к любому проводу цепи питания.

■ 2х проводная схема при малой нагрузке с источником постоянного тока (DC)
Если рабочий ток меньше допустимого, по сравнению с обратным током нагрузки, применяется шунтирующий резистор. Используются приведенные ниже формулы, чтобы рассчитать значения шунтирующего сопротивления.

Значение P отводящего резистора должно быть больше для надлежащего отвода тепла.
■ 2х проводная схема при малой нагрузке с источником переменного тока (AC)
Если рабочий ток нагрузки меньше 5 мА, применяется резистор, для увеличения на величину более 5 мА. Используются приведенные ниже формулы, чтобы рассчитать значения шунтирующего сопротивления.

Значение P отводящего резистора должно быть больше для надлежащего отвода тепла.
■ Подключение нагрузки с большим пусковым током (AC)
При использовании нагрузки с большим пусковым током (лампа, двигатель и т.д.) из-за низкого начального значения сопротивления протекает ток значительно превышающий номинальный, через определенное время возвращается к допустимому значению. Это может привести к повреждению внутренней цепи датчика. Для защиты датчика приближения используется дополнительное реле или сопротивление предельного тока (R).

■ 3х проводная схема с источником постоянного тока (DC)
В 3х проводных схемах датчиков имеется два типа выходных сигналов - NPN и PNP, которые могут размыкать или замыкать реле питания, соленоид, электрический счетчик, ПЛК и т.д. В случае использования индуктивной нагрузки (реле, двигателя, магнита и т.д.) параллельно подключается диод-поглотитель перенапряжений, который выдерживает напряжение в три раза превышающее напряжение источника питания.

Параллельное подключение группы датчиков

При параллельном соединении датчиков, выходной сигнал на нагрузку подается при срабатывании хотя бы одного датчика. Через каждый датчик протекает небольшой ток утечки из-за работы внутренней схемы, даже когда датчик находится в состоянии ожидания (ВЫКЛ). Поскольку при параллельном соединении датчиков увеличивается ток утечки, нагрузка может сработать, когда датчик приближения находится в состоянии ВЫКЛ.
■ 2х проводная схема при параллельном соединении с источником постоянного тока (DC)
Количество датчиков, которые могут быть соединены параллельно, в пределе следующих условий:
n × IL ≤ обратный ток нагрузки, где IL - ток утечки датчика, n - количество подключенных датчиков.
Пример, датчик с обратным током нагрузки ≤ 3.7 мА и током утечки ≤ 0.6 мА, следовательно можно подключить параллельно не более шести датчиков.

■ 2х проводная схема при параллельном соединении с источником переменного тока (AC)
Для управления нагрузкой не рекомендуется подключать более двух датчиков в одной цепи. При параллельном соединении ток утечки может увеличивается кратно количеству подключенных датчиков, что может привести к ложным срабатываниям. Поэтому в цепь включаются параллельно подключенные реле, чтобы нагрузка могла работать должным образом.

■ 3х проводная схема при параллельном соединении с источником постоянного тока (DC)
Ток утечки, который зависит от количества датчиков, недолжен влиять на рабочий ток нагрузки - это условие следует учитывать при выборе количества датчиков, подключаемых параллельно. Датчики с выходом NPN и выходом PNP не могут использоваться в одной цепи.

Последовательное подключение группы датчиков

При последовательном соединении датчиков выходной сигнал на нагрузку подается только при срабатывании всех датчиков. При последовательном подключении все датчики приближения должны быть в рабочем состоянии. Остаточное напряжение, зависящее от количества датчиков, не должно влиять как на рабочее напряжение датчиков приближения, так и на напряжение, подаваемое на нагрузку, это условие следует учитывать при выборе количества подключаемых датчиков.
■ 2х проводная схема при последовательном соединении с источником постоянного тока (DC)
Для последовательного подключении выбирается количество датчиков приближения, соответствующее приведенной формуле:
VS - (n × VR) ≥ VL, где - VL - рабочее напряжение нагрузки, VS - напряжение источника, VR - остаточное напряжение, n - количество подключаемых датчиков)

■ 2х проводная схема при последовательном соединении с источником переменного тока (AC)
В принципе, датчики с питанием от переменного тока нельзя использовать в последовательном подключении. Тем не менее, для последовательного соединения необходимо включать в цепь реле или шунтирующее сопротивление. При последовательном подключении рабочее напряжение VL рассчитывается как вычитание напряжения источника питания и остаточного напряжения датчика. Таким образом, VL = VS - (n × VR)

■ 3х проводная схема при последовательном соединении с источником постоянного тока (DC)
Датчики с выходом NPN и выходом PNP не могут использоваться в одной цепи.

Подключение датчиков к ПЛК

■ 2х проводная схема при подключении к ПЛК с источником постоянного тока (DC)
Двухпроводная схема подключения возможна, если параметры контроллера и датчика соответствуют приведенным ниже условиям.
1) Если для напряжении на ПЛК и остаточном напряжении на датчике выполняется следующее условие - VON ≤ VS - VR
2) Когда для тока сигнала выключения ПЛК и тока утечки датчика выполняется следующее условие - IOFF ≥ IL
3) Когда для тока сигнала включения ПЛК и тока управляющего выхода выполняется следующее условие - IOUT(min) ≤ ION
Описываемые в условиях параметры:
VON - напряжение сигнала включения ПЛК
VS - напряжение источника питания
VR - остаточное напряжение датчика
IOFF - ток сигнала выключения ПЛК
IL - ток утечки датчика
IOUT(min) - минимальное значение тока управляющего сигнала датчика
ION - ток сигнала включения ПЛК

■ 3х проводная схема при подключении к ПЛК с источником постоянного тока (DC)
При подключении датчика с трехпроводной цепью к контроллеру, выбирается соответствующая модель в зависимости от полярности общего провода.